高精度小量程静力水准仪的设计与应用_雷丽江.pdf

收稿日期：第一作者：雷丽江（），女，云南曲靖人，硕士，工程师，主要研究方向为大坝安全监测仪器和水质监测仪器的开发。：高精度小量程静力水准仪的设计与应用雷丽江，卢欣春，李学胜，孙颖奇（南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏 南京）摘要：设计了一种高精度小量程静力水准仪，详细阐述了其测量原理和机械结构。分析了静力水准仪在沉降监测应用中的系统精度，并根据系统精度设计确定了仪器出厂的最大残余误差。为保证仪器的测量精度，进行了仪器关键器件的选型。经试验验证，该静力水准仪具有测量精度高、重复性好、迟滞误差小、分辨率高和环境适应性强等特点，满足设计要求。将该静力水准仪应用于某大科学装置的沉降位移监测中，通过现场抬升实验和应用数据分析，表明该静力水准仪测量精度满足项目设计精度，实现了对大科学装置的沉降变化的实时精确监测，为该装置的稳定运行提供有力保障。关键词：小量程；静力水准仪；高精度；大科学装置；沉降监测中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（），）：，：；引言随着经济的高速发展，越来越多的大工程大装置逐步建成，对于建筑工程的沉降监测具有重大意义，尤其在大型科学科研工程和高精密工程建筑监测中，对建筑沉降监测的精度、实时性和稳定性的要求越来越高。静力水准仪是一种高精度沉降监测仪器，被广泛应用于大坝监测、综合管廊、海上平台、高铁以及基坑沉降等多领域的建筑沉降监测中。传统的液压静力水准系统由于采用满管液体连通管工业仪表与自动化装置 年第 期水平原理，在工程实践中会受到压力、振动及温度等因素的影响，且精度、实时性和数据采集连续性等难以满足某些新建大型科学工程和高精密工程建筑沉降监测的要求。该研究针对高精密、实时和可靠性等要求，设计研制了一种小量程高精度的光电式静力水准仪。提供了一种半管水连通管沉降监测系统方案，通过在某大科学装置中的应用证明，该方案精度高，数据采集实时化，数据量充足，高精密可靠性监测切实可行。测量原理及结构 测量原理该文设计的静力水准仪是以点光源阵列和线阵 器件为感应部件的新型光电式静力水准仪。仪器的容器内装有一定高度的液体，其内置的浮子随液面升降而上下位移，浮子上带有标识浮子上下移动的钢丝。在该静力水准仪的结构中，通过选择合适的 个光源发出的光透过透光玻璃后照射到反应液面升降的感应钢丝上，并分别产生一个阴影成像到 上，阴影位置不同，对应的像素点不同，测量电路板将 上的阴影所在位置对应的像素采集并转换成电信号输出。根据 条相交直线确定一个点的几何规则，通过在 上的阴影位置便可计算出钢丝的实际位置。下面以任意两个点光源为例进行说明，如图 所示。在系统中，点光源阵列面和 所在面平行，假设在这两个面之间建立一辅助坐标系，钢丝垂直于这两个面，从图 可以看出，点光源 和 在钢丝的遮挡下，会在 上产生两个阴影。假设两个光源的坐标分别为（，）和（，），两阴影坐标分别为（，）和（，），两光源与对应的投影位置组成的两直线相交，交点为，该点也是钢丝所在的位置。根据两条直线相交确定一点的原理，求出两条直线 和 的交点，可得到交点 的位置（，），即得到钢丝的位置。根据几何计算可以得到：直线 的斜率为，直线 的斜率为，两条直线的方程分别为：（）（）图 光电式静力水准仪测量原理示意图 由式（）和式（）可得：（）（）（）从式（）和式（）可以看出，已知光源的位置分别为（，）和（，），对应的钢丝在 上的阴影位置分别是（，）和（，），所在的面和光源所在面的距离为，就可以求出钢丝的位置（，），从而可知测量液面的升降。机械结构设计该仪器结构示意图如图 所示，仪器主要由容器、感应部件、浮子部件及安装附件等部分组成。（）容器下部的连通管接头与静力水准监测系统的连通水管连接；仪器顶部设计有出线口；仪器外壳选用不锈钢材质，满足建筑物长期稳定监测需求。（）感应部件包括感应部件底板、线阵、测量电路板、电源电路板、点光源阵列及感应部件密封件等。感应部件密封件为中空结构，左右两侧分别是滤光玻璃和透光玻璃，另有防潮措施，保证仪器在潮湿环境中运行不受影响；线阵 为仪器的光敏感器件，光源为阵列式 点光源，分别位于密封件两侧。（）浮子部件设计有感应钢丝、导向杆、浮子腔体和浮子挡块等部件，对浮子的运动起导向、限位和减小摩擦等作用，保证浮子能精准地反应其连通液面的垂直位移变化。（）安装附件可在一定范围内通过其螺母调整静力水准仪的上下高度，方便安装调试时根据工程 年第 期 工业仪表与自动化装置需求调节各仪器的水平位置，增加了仪器的稳定性和安装调试便捷性。图 仪器结构示意图 精度分析小量程光电式静力水准仪安装在待测建筑物所设置的液体静力水准系统连通管上，选取相对稳定的测点为系统的基准测点。静力水准系统连通管工作时为半充满形式，即上半部是空气，下半部是水，确保各传感器处在相同压力下，不受气压变化的影响。当测点发生沉降时，测点处的仪器内的液面高度会上升或下降，同时基准点处的水准仪的液面也会随之下降或上升，通过测量容器内液位的相对变化量，可实现测点的相对沉降观测。沉降测量计算公式如下：基准点沉降为：测点沉降为：沉降变化量为：（）（）（）式中：为初始时刻基准测点的仪器示值；为 时刻基准测点的仪器示值；为 时刻第 测点的仪器示值；为 时刻第 测点相对于基准测点 号的沉降值。通过式（）即可计算各测点不同时刻的沉降变化量。图 所示为静力水准沉降监测系统的测点布设。假设 号测点为基准测点，其余测点围绕基准测点呈 字形分布，在忽略管道摩擦力以及所有测点的连通管液面水平的情况下，理论上每个测点的仪器随机误差相互独立。图 静力水准沉降监测系统布点示意图 由式（）及函数随机误差计算公式可得：（）（）因：则：（）式中：为静力水准仪的系统误差；为 时刻第 测点的标准差；为初始时刻第 测点的标准差；为 时刻基准测点的标准差；为初始时刻基准测点的标准差；为仪器的最大残余误差；为误差理论系数；为单一测点的标准差。各测点仪器出厂时均按照正返正返正返的方式进行精度验证，按照最大误差法计算系统误差。当要求系统误差 ，且 取 时，由式（）和标准差计算公式 可得仪器的最大残余误差 ，该研究仪器的最大残余误差为 ，满足静力水准沉降监测系统的精度。主要技术指标仪器参数如下：量程为 ；测量精度 ；分辨率为 ；线阵 与点光源阵列面的间距为 ；环境温度为 ；信号传输 输出，波特率为 。仪器感应元件选型光电式静力水准仪的关键部件就是感应部件，而线阵 和点光源阵列是感应部件的核心器件，两者性能的优劣直接影响仪器的测量精度，为保证仪器的测量精度进行关键器件的选型。线阵 线阵 属于半导体光电器件，具有很高的光灵敏度，其像元集成度高，尺寸精确，间距固定，稳定性好，使用寿命长，测量结果重复性好。该研究所用 线性阵列采用日本东芝公司的 芯片，主要性能包括：光敏像元数；像元尺寸为 ；灵敏度为 ；光谱响应为 ；光谱响应峰值波长为 ；饱工业仪表与自动化装置 年第 期和曝光度为 ；工作温度为 ；贮藏温度为 ；封装为。点光源阵列因 光源具有占用空间小、稳定性好、寿命长、节能无污染和环保等多个优点，该研究选用食人鱼 光源为点光源阵列，相关参数包括：光源颜色为红色；最大前置电流为；波长为 。性能实验为保证该静力水准仪的可靠性，该研究依据相关标准对其进行了标定。重复性与测量精度在正常试验条件下，将仪器安装在专用标定设备上，其位移由千分表给出。将水准仪的测量范围平均分成 挡，从零位开始逐挡进给位移至满量程（上行），记录每档测得的结果；再从满量程逐挡依次返至零位（下行），同样记录每档测得结果，如此进行 次循环测量，记录测试结果见表。表 性能测试及结果（单位：）标准行程正程反程正程反程正程反程偏差重复性误差回差 测量精度（）不重复度（）迟滞性误差（）由表 可知，该静力水准仪的测量精度为 ，不重复度为 ，迟滞性误差为 ，仪器重复性好，测量精度高，迟滞性误差小，满足设计要求。分辨率测试在正常实验条件下，分别在静力水准仪量程的（），（）和（）处（为满量程），在单一方向上以 为步长，逐挡进给 次，记录每次位移的测值，测量结果见表。表 分辨率试验结果给定位移（）处测值（）处测值（）处测值 实验结果表明，仪器在各处的测值随 的步长单调递增，仪器的分辨率 。环境适应性实验将仪器放入温湿度试验箱中，在温度 内，以 为增量进行环境高低温试验，每个温度到达设定温度并稳定 后，在同一编号 条件下，采集 工作波形图，测量仪器的工作状态；并于 及 湿度条件下，测试仪器在湿热环境下的适应性。实验结果如图 所示。由图 可知，输出的背景信号随着环境温度的变化而变高，但波峰不变且波形完整，仪器工作状态正常，说明仪器不受高低温及湿热环境的影响，环境适应性强，满足性能设计要求。年第 期 工业仪表与自动化装置图 环境适应性试验结果 工程应用因我国某大科学装置所处地理位置地质条件复杂，因此对该装置所在地基和关键部件的不均匀沉降进行监测具有重大意义。该文所研究的静力水准仪在该项目一期工程安装了 台，于 年 月正式投入使用。系统架构根据静力水准仪安装设计要求，选择相对稳定的测点为基准点，确定监测标高，各测点与基准点的高差不超过 。将静力水准仪安装在连通管上，同一连通管有多个静力水准仪测点，并将各个测点连成一个连通的液体通道，使各测点静力水准仪下钵体内的液面始终为同一水平面。系统网络架构如图 所示。静力水准仪通过 接口接收数据采集的测量命令，点亮，同时驱动线阵，将钢丝阴影位置有关的光信号转换成电荷量输出，通过处理计算得出相应的位置坐标值，并将坐标位置通过 接口上传回数据采集模块，数据采集模块与上位机之间通过 信号传输。该系统通过 总线实现数据的实时及定时监测，自动存储和处理数据，然后通过采集模块将数据发送到上位机，并能实现远距离监控和管理。图 仪器系统网络架构图 现场抬升实验仪器经安装、调试正常后，任选几个测点分别进行静力水准仪抬升实验。首先记录抬升前基准点和测点的初始测值；然后逐步抬升该测点仪器的高度，抬升高度由 级标准量块给出，记录抬升后测值，计算测点位移变化，计算测点位移变化与抬升值的差值。表 为 号测点的抬升实验记录。表 静力水准系统抬升实验数据序号基准点测值 抬升点测值 测点位移 抬升值 差值 工业仪表与自动化装置 年第 期续表 序号基准点测值 抬升点测值 测点位移 抬升值 差值 注：表示初始测值抬升实验表明，各测点仪器测量精度为 ，满足系统设计要求。监测数据分析 年 月静力水准系统正式投入运行，各测点每小时定时进行数据采集，随机选取部分测点截止到 年 月每天同一时刻的沉降监测数据，得到的沉降变化如图 所示。由图 可以看出，所有测点在投入运行期间的沉降位移在 内变化，各测点位移测值整体变化较小，且变化趋势一致。图 沉降位移变化 结论该文所述大科学装置的静力水准监测系统自投入运行以来，获得大量有效测量数据。该静力水准系统连通管采用半管水的形式，消除了压力、气泡等外界因素对系统精度的影响，在实际应用中具有高精度、高可靠性和实时监控等优点，能够科学及时地反映系统的沉降变化。通过分析应用中监测数据的变化，可了解不均匀沉降对大科学装置运行的影响，以便采取相应的调整措施，为大科学装置的稳定运行提供有力保障。此外，在该研究的技术基础上拓展研制了量程 和量程 的静力水准仪，仪器装配简单，性能良好，适用范围广，具有极大的应用潜能和推广价值。参考文献：李永静 型电容式静力水准仪在龙羊峡水电站沉降观测中的应用 青海水力发电，（）：温贤培 基于液压静力水准仪的综合管廊沉降监测方法研究 自动化与仪器仪表，（）：文世鹏，丛军，张锡斌 静力水准仪在海上平台沉降监测中的应用 科技经济导刊，（）：刘向明 静力水准仪系统在高铁桥梁变形监测中的应用 交通科技与经济，（）：田松伟，刘丽，朱文秀，等 静力水准在某基坑沉降监测中的应用及误差分析 测绘工程，（）：卢欣春，李学胜，罗勇钢 新型光电式静力水准仪的研制 水电与抽水蓄能，（）：何晓业，吴军 上海光源静力水准系统的安装与调试 核技术，（）：费业泰，罗南星 误差理论与数据处理 版 北京：机械